Широкополосный усилитель–корректор АЧХ

№ 1’2019
PDF версия
В статье представлены результаты проектирования и экспериментальные характеристики широкополосного усилителя, использующегося в качестве корректора амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Показана возможность изменять наклон АЧХ вариацией общей ширины затворов транзисторов в схеме усилителя с распределенным усилением (УРУ). В качестве активного элемента предусмотрены E-pHEMT-транзисторы, работающие при нулевом смещении на затворе.

Введение

При использовании широкополосных усилителей СВЧ одним из важных параметров является неравномерность коэффициента усиления (КУ) в рабочей полосе частот. Особую популярность получили монолитные интегральные схемы (МИС) широкополосных усилителей с положительным наклоном АЧХ, компенсирующим потери в тракте. В МИС нет возможности подстройки схемы для корректировки АЧХ, поэтому один из способов уменьшения неравномерности КУ или получение положительного наклона АЧХ — применение корректоров, которые обеспечат требуемые параметры амплитудно-частотной характеристики.

В данной работе представлен пример корректировки АЧХ на основе МИС усилителей с распределенным усилением.

 

Описание конструкции

Усилители выполнены в виде монолитных интегральных схем на арсениде галлия по размерной обработке 0,2 мкм на гетероструктурах ПМГС-Д02 собственного производства. В качестве активного элемента использованы нормально закрытые гетероструктурные транзисторы с барьером Шоттки (E‑pHEMT) [1]. Расположение канала транзистора на определенной глубине обеспечило рабочий ток 100 мА/мм при нулевом смещении на затворе. Вольт-амперная характеристика (ВАХ), сток-затворная характеристика и профиль крутизны E‑pHEMT транзистора в удельных значениях приведены на рис. 1.

Удельные ВАХ, сток-затворная характеристика и профиль крутизны E-pHEMT-транзистора

Рис. 1. Удельные ВАХ, сток-затворная характеристика и профиль крутизны E-pHEMT-транзистора

Схема с распределенным усилением выбрана для обеспечения широкой полосы рабочих частот усилителя. Необходимый наклон АЧХ в схеме УРУ можно обеспечить изменением общей ширины затворов транзисторов, что достигается изменением либо количества транзисторов, либо ширины затвора каждого транзистора.

Разработанные топологии усилителей представлены на рис. 2.

Микрофотографии топологий МИС усилителей

Рис. 2. Микрофотографии топологий МИС усилителей:
а) топология усилителя с пятью транзисторами (4 пальца по 30 мкм) с общей шириной затворов 600 мкм;
б) топология усилителя с тремя транзисторами (4 пальца по 30 мкм) и общей шириной затворов 360 мкм.
Для питания усилителей необходимо одно напряжение питания +5 В

 

Моделирование и экспериментальные результаты

Моделирование выполнено с помощью САПР Advanced Design System. Измерения МИС усилителей проводили на пластине, на зондовой станции SUMMITT 12000B и векторном анализаторе цепей N5244A.

На рис. 3а отображена амплитудно-частотная характеристика МИС усилителя с общей шириной затворов 600 мкм, неравномерность КУ составляет 2,3 дБ, АЧХ имеет отрицательный наклон.

Для уменьшения неравномерности КУ готового устройства необходимо каскадно включить усилитель-корректор с положительным наклоном КУ. Положительный наклон достигнут уменьшением количества транзисторов до трех. На рис. 3б представлена АЧХ такого усилителя-корректора с общей шириной затворов 360 мкм, неравномерность КУ составляет 0,9 дБ.

АЧХ МИС усилителей (сплошная — моделирование, пунктирная — измерения)

Рис. 3. АЧХ МИС усилителей (сплошная — моделирование, пунктирная — измерения)

Результат моделирования каскадного соединения двух вышеуказанных МИС с учетом разварочных проволочек показан на рис. 3в, неравномерность КУ составила 1,4 дБ.

Возвратные потери по входу и выходу для всех топологий находятся ниже –10 дБ.

На рис. 4 показаны экспериментальные характеристики каскадного включения МИС с общей шириной затворов 360 и 600 мкм. Измерения проводили на кристаллах, смонтированных на основание с использованием векторного анализатора цепей E5071C. Неравномерность КУ в полосе 2–18 ГГц составила 1,4 дБ. Напряжение питания +5 В, суммарный ток потребления 110 мА.

Измеренные АЧХ из каскадно соединенных МИС усилителей

Рис. 4. Измеренные АЧХ из каскадно соединенных МИС усилителей

Был проведен анализ зависимости наклона АЧХ от общей ширины затворов для схемы с пятью транзисторами. Результат моделирования представлен на рис. 5.

АЧХ 5-транзисторного усилителя с различной общей шириной затворов

Рис. 5. АЧХ 5-транзисторного усилителя с различной общей шириной затворов

 

Заключение

Таким образом, в работе исследовано влияние общей ширины затворов усилителя с распределенным усилением на поведение наклона АЧХ.

Приведены расчетные и измеренные АЧХ таких усилителей. Работа усилителей при нулевом смещении на затворе позволила существенно упростить конструкцию схемы, расширить ее функциональные возможности и уменьшить габаритные размеры.

Разработанные кристаллы усилителей имеют малые габаритные размеры (~1,25 мм2), однополярное питание без использования системы автосмещения и контактные площадки для проведения зондовых СВЧ-измерений на пластине.

Литература
  1. Крутов А. В., Кувшинова Н. А., Ребров А. С. Малошумящие GaAs PHEMT-транзисторы с нулевым смещением на затворе. Электроника и Микроэлектроника СВЧ. IV Всероссийская научно-техническая конференция. СПб., 2015.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.